Vol.39 No.3May 2021
第 39 卷第 3 期2021年05月干旱地区农业研究
Agricultural Rearch in the Arid Areas 文章编号：1000-7601(2021)03-0023-10 doi ：10.7606/j.issn.l000-7601.2021.03.04
利用HYDRUS-2D 模拟膜下滴灌玉米农田
深层土壤水分动态与根系吸水
丁运韬・2,3，程 煜・2,3，张体彬⑺，4，姬祥祥・2,3，乔若楠・2,3，冯 浩⑺，4
(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100；
2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；
3. 西北农林科技大学中国旱区节水研究院，陕西杨凌712100；
4.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100)
摘要：河套灌区农田地下水埋深普遍较浅且年内波动较大，明确不同膜下滴灌条件下深层土壤水分对根区的
补给作用及作物根系吸水的响应差异有利于膜下滴灌技术的完善和推广。本研究开展了连续2 a (2017-2018年) 的春玉米田间试验，设置3个膜下滴灌灌溉水平，分别控制土壤基质势下限为-10 kPa ( Sl )、-30 kPa ( S3)和-50 kPa
(S5)。利用HYDRUS-2D 模型模拟0〜120 cm 深度土壤含水量、根层下边界(100 cm 深度处)水分通量和作物根系 吸水速率。结果表明，经过率定后的HYDRUS-2D 模型对0~120 cm 深度土壤含水量模拟结果的根均方差(RMSE)
和决定系数(R 2)分别为0.039〜0.042 cm 3 • cm -3和0.78~0.73，模拟结果可靠。膜下滴灌农田100 cm 和120 cm 深度 处土壤含水量较高且处理间差异不大，说明不同滴灌条件对于100 cm 以下深层土壤含水量影响较小；但不同处理显
著影响根区下边界的水分通量和根系吸水速率。基质势下限控制水平越低，深层土壤水分对于根区的补给量(毛管 上升)越大,S1、S3、S5生育期内累积补给量在31.9~49.6 mm 之间。S5处理根系吸水速率较低，根系吸水受到显著 抑制，从而造成作物生长指标和产量显著低于S1和S3处理(P<0.05)；而S1和S3之间籽粒产量差异不显著。综上， 在本研究所设置的3个滴灌处理中，S3生育期内灌溉定额为
240 ~300 m m ，既较S1显著减少灌水量、提高水分利用
效率，又具有较好的根系活力，有效利用深层土壤水分，因此建议该地区春玉米膜下滴灌的灌水下限为-30 kPa 。
关键词：HYDRUS ；土壤基质势；膜下滴灌；地下水补给；玉米根系吸水中图分类号:S275；S513
文献标志码:A
Modeling of dynamics of deep soil water and root uptake of maize with mulched drip irrigations using HYDRUS-2D
DING Yuntao 1,2,3, CHENG Yu 1，2,3, ZHANG Tibin 1，3,4,
JI Xiangxiang 1，2,3, QIAO Ruonan 1，2,3, FENG Hao 1，3,4
(1. Key Laboratory of Agricultural Soil aftd Water Eftgi^eeriftg in Arid and Semiarid Areas ,
Ministry of Education, Northwest A &F %i©ersity, Yaftgliftg, Shaanxi 712100, China ；
2. College of Water Resources aftd Architectural Eftgi^eeriftg, Northwest A&F %i©ersity, Yaftglift
g, Shaanxi 712100, China ；
3. Institute of Water-safin,g Agriculture ift Arid Area of China , Northwest A&F %i©ersity, Yaftgliftg, Shaanxi 712100, China ；
4. Institute of Water aftd Soil Coarratioft , Chine Academy of Sciences aftd
Ministry of Water Resources , Yaftgliftg, Shaaftxi 712100, Chifta )
Abstract ： The Hetao Irrigation District ( HID) of Inner Mongolia, which is located in the arid area in North western China, generally has a shallow groundwater with a great fluctuation annually. Understanding the water re charge effect from the deep to root layer and water uptake by root under mulched drip irrigation helps to revamp and
promote drip irrigation technology in the HID. A two -year ( 2017-2018) field experiment was conducted, in which
收稿日期：2020-09-29
修回日期：2020-ll-15
基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFC0403303)；国家自然科学基金项目(51879224,51509238)；陕西省重点研发计划一般项目 (2019NY-001)
作者简介：丁运韬( 1995-)，男，硕士研究生，研究方向为节水灌溉和水土资源高效利用。E-mail ：852459496@ qq
通信作者：张体彬(1983-)，男，博士，副研究员，主要从事农业节水灌溉与盐碱土壤改良研究。E-mail : zhangtb@ ms.iswc.ac
24干旱地区农业研究第39卷
three soil-water matric potential(SMP)threshold values including-10kPa(S1),-30kPa(S3),and-50kPa (S5),were ud to schedule the mulched drip irrigation for spring maize.Then,the HYDRUS-2D model was ud to simulate the water content in the0~120cm soil layer,the cumulative water flux at the lower boundary,and the water uptake rate by root under different drip irrigation regimes.The results showed that comparing the simulated soil moisture contents with the measured,the calibrated HYDRLS-2D was reliable to simulate water movement in the studied soil layers under drip irrigation,gave the acceptable root mean square error(RMSE)(0.039-0.042cm3•cm3)and determination coefficient(R2)of0.78-0.73.The soil moisture contents in the deep layers of100cm and1
20cm depth were not significantly different among the different treatments，indicating that the different drip irrigations had little effect on water movement in the deep layers.The different drip irrigation levels significantly affected the cumulative water flux at the lower boundary of root zone and root water uptake.The recharge(capillary rising)from deeper to root layer incread from31.9mm to49.6mm with decreasing SMP threshold values of S1，S3and S5.When the SMP threshold value was-50kPa(S5),the lowest root water uptake intensity was predic-ted，showing a stresd root activity and resulting in the significantly restricted growth and yield in S5relative to S1 and S3(P<0.05)；while the difference in leaf area index,aboveground biomass,and grain yield between S1and S3was not significant(P>0.05).That means the S3treatment with the SMP threshold value of-30kPa,which irrigation quota was240-300mm,improved water u efficiency and maintained the root activity of water uptake. Therefore,the SMP threshold value of-30kPa was recommended to schedule mulched drip irrigation for spring maize production in the studied area.
Keywords:HYDRLS；soil matric potential；mulched drip irrigation；groundwater recharge；maize root water uptake
河套灌区是我国最大的一首制灌区，玉米是灌区主要的粮食作物之一。保障河套灌区农业可持续发展对我国旱区农业生产甚至全国粮食安全意义重大。如今灌区内的灌水方式基本为地面灌溉，田间灌溉
水利用效率低，并且灌溉水大量回补地下水［1］，导致灌区地下水埋深浅，加之蒸发强烈，土壤盐渍化日益严重。
一般而言，地下水埋深较浅使得作物根层和深层土壤水分交互频繁，可以在一定程度上影响根系吸水和作物生长。有研究指出，在3—11月作物生长季河套灌区平均地下水埋深在1.5〜2.5m之间，地下水位受灌溉影响而季节性波动。特别是在10—11月份进行引黄秋浇后，地下水位显著抬升，灌区平均地下水埋深1.5m［2］o根据杨建锋［3］等人的研究结果，在地下水埋深0.7〜1.3m条件下，地下水对玉米耗水量贡献率为15.7%。此外，Huo等⑷在2012年利用控制实验装置模拟不同地下水埋深，指出在地下水埋深为1.5m时地下水贡献量占小麦全生育期耗水总量的29%。河套灌区地下水埋深受灌溉的影响在作物生育期波动明显，使得深层土壤水与上层根区的交互过程复杂，难以量化。而HYDRLS作为一款模拟变量饱和度情况下多孔介质中的水分和溶质运移的软件，可以较为准确地模拟非饱和带土壤水分运动状况及作物根系水系。2008年李亮⑴采用HYDRLS-2D模型对河套灌区典型区1m深度内的土壤水分运动规律进行了研究，揭示了盐渍化地区耕地-荒地间的水分运移机理，为河套灌区盐渍化土壤改良和节水灌溉提供了理论基础；2015年郝远远等⑷采用分布式的HYDRLS-EPIC模型评估了河套灌区解放闸灌域4 m深度内的土壤水盐动态和作物生长空间分布特征，为评估区域尺度土壤水盐与作物生长状况提供有效工具。前人研究证明了HYDRLS模型在河套灌区土壤水分运移和利用方面研究的可行性和重要性，但农田根层和深层土壤水分交换和根系吸水过程与土壤条件、种植作物、灌溉方式等密切相关，要想更加明确其中过程机理，还需要针对具体灌溉方式和作物种类开展研究。
近年来，随着河套灌区土壤盐渍化严重和引黄配额的减少，发展节水灌溉成为灌区农业生产可持续发展的必然选择。滴灌可以明显提高水分利用效率和作物产量⑺，与覆膜栽培结合之后的膜下滴灌技术在盐碱化治理和节水方面具有明显优势，已在包括我国在内的干旱、半干旱地区得到大面积应用。因此，近几年前人在河套灌区逐步开展了一系列的膜下滴灌方面的研究工作，其中除部分研究关注的是经济效益较高的加工番茄［8-9］之外，玉米作为灌区内最主要的粮食作物，其膜下滴灌方面的研
第3期 丁运韬等：利用HYDRLS-2D 模拟膜下滴灌玉米农田深层土壤水分动态与根系吸水
25
究成果主要集中在耗水规律［10］、水分生产率［11-12］、
作物系数［13］、根系分布［14］等方面，而对于膜下滴灌
玉米根系下深层土壤水分动态、地下水对作物吸水 补给效应等方面的研究相对较少；另外，通过控制
土壤基质势下限可以指导膜下滴灌，更易于膜下滴 灌技术的推广，该技术在河套灌区也已进行了一些
研究［10，15］，得到了不同基质势水平膜下滴灌条件下
根层土壤水盐运移特征和作物响应，但对于该条件
下深层土壤水分交换和根系吸水方面的研究未见 报道。
为此，本研究在河套灌区开展了连续2 a 的田
间试验，设置不同膜下滴灌制度处理，利用
HYDRUS-2D 模型重点模拟玉米农田深层土壤水分
动态和根系吸水差异，旨在探究膜下滴灌下玉米农 田根层和深层土壤水分的补给过程及作物生长的 响应，以期进一步完善膜下滴灌水分运移理论，促
进膜下滴灌技术在河套灌区的推广。
1材料与方法
1.1研究区概况
田间试验于2017年和2018年春玉米生长季 （5—9月）在河套灌区曙光试验站（40。46取，107。
24'E，海拔1 039 m ）进行。该地区地处典型的温带
大陆性干旱气候区，试验站多年年均降雨量135 mm 左右，年蒸发量在2 100〜2 300 mm 之间，年均风速
为2. 8〜2. 9 m ・s -1。全年日照充足，日照时数为
3 190-3 260 h，年平均气温6.9°C ，昼夜温差大。其
中1月份均温为-14C 〜-11C ,7月份均温为22C 〜24C ,0〜20 cm 土层平均地温9.4C 。
试区内土壤属于黄河灌淤土，土壤分层明显，
厚薄不均。0〜40 cm 深度土壤平均电导率（土水比
1 : 5浸提液）为1.3 dS - m -1 ,pH 值为8.5。其他分
层次的土壤特性见表1。试验站内设有地下水位监 测井，每0.5 h 自动监测试验田内的地下水位变动 （图1）。试验田每年的秋季采用引黄水秋浇。2017
年和2018年玉米生育期内（5—9月）降雨量分别为
37 mm 和 154 mm （图 1）。基于 1990—2010 年的气
象数据计算该地区玉米生长季的平均降雨量为92
mm，因此,2017和2018年分别为干旱年和湿润年。1.2试验设计与观测
1.2.1试验设计 供试作物为春玉米，品种选择为
当地主栽品种’西蒙6号’。田间种植采用“一膜单
管双行”的种植方式，滴灌带间距100 cm，地膜宽70 cm （图2）。玉米采用宽窄行的种植方式，窄行30
cm，宽行70 cm，玉米株距30 cm 。播种前覆盖地膜,
地膜为高压聚乙烯膜，厚度8 ^m 。播种深度5 cm, 2017年播种时间为4月27日，2018年为4月 28 日 。
田间试验设置3个膜下滴灌灌溉水平处理，控
制滴头正下方20 cm 深度处土壤基质势下限分别为 -10 kPa （S1）、-30 kPa （S3）和-50 kPa （S5）。每处
表1研究区域土壤理化性质Table 1 The physicochemical characteristics
of soil in the study area
土层深度
Soil depth /c m 颗粒组成
Particle size/%
容重
Bulk density /(g - cm -3)
田间持水量
Field water capacity / ( cm 3 • cm -3 )
砂粒
Sand 粉粒
Silt 黏粒
Clay
0~20
32.2
47.820.0 1.440.29
20~4023.253.8
23.0 1.430.3140~60
29.7
47.2
23.1
1.450.3160~9094.3 3.7
2.0
1.51
0.22
90~120
48.3
35.4
15.3 1.630.31
r u /£d u p J E e A Y P U n o J D
®到«
K
皂
---地下水埋深 Groundwater depth
月份Month
0)2017
o
o
2o
o
4 680
r u /£d u p
J E e A Y P U n o J D
®
到兰K
皂
月份Month
(b)2018
降雨 Rainfall
§u /
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u n r a
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监
图1河套灌区春玉米生育期内地下水埋深及降雨量
Fig.1 Groundwater table and rainfall during maize growth periods in the Hetao Irrigation
District
26
干旱地区农业研究第39卷
滴灌带Drip tape
负压计Tensiometer
取样点Sampling point
Maize
塑料薄膜Plastic film
图2田间膜下滴灌春玉米种植模式、负压计
埋设和取样点位置示意图
理3个重复，共计9个小区，小区面积为4m x 15 m
=60 m 2 ，各小区之间设置1 m 宽的缓冲区以减少土
壤水分侧渗。每个处理安装一套独立的滴灌首部
控制系统，包含阀门、施肥罐、过滤器、水表、压力表
等，以及12条滴灌带（每小区4条，控制8行玉米）。
通过安装在滴头正下方20 cm 深度处的真空表式负 压计进行土壤基质势监测（图2），每天09 : 00和
15 : 00进行负压计读数，一旦达到所设定的阈值，立
即启动滴灌，灌水定额设定为10〜20 mm （参考当日
水面蒸发量和玉米生育时期），试验周期内的土壤
基质势读数日变化如图3所示。2 a 内各处理具体
灌溉次数和灌水量见表2。
试验地基肥采用尿素、磷酸二铵和硫酸钾按照
N 、P 、K 分别为 150,180kg ・ hm -2 和 45 kg - hm -2 的
施用量均匀撒施于地表，之后翻耕。玉米生育期内
追施150 kg ・hm -2的氮肥，采用水溶性较好的尿素,
于灌水前溶于施肥罐中，随灌水施入，且保证各处
理施肥量一致。其他田间管理，如除草、病虫害防
治等同周边农田一致。
Fig.2 Dimensions of planting pattern , the tensiometer
installation and positions of soil sampling under mulched
drip irrigation for cropping spring maize
50
60 70 80 90 100 110 30播后天数 Day after sowing/d
(a)2017
-------Sl(-lOkPa)
-------S3(-30kPa)
o o o o o o O
1 2 3 4 5 6 ------ -eHuolod
X E e u I I o s
e d F
淋團«
w
出
40
50 60 70 80 90 100 110播后天数 Day after sowing/d (b)2018
..........S5(-50kPa)
-eHuolod
XEeuIIos
e d F
淋團«
w
出
图3玉米生育期内滴头下方20 cm 深度处土壤基质势变化
Fig.3 The evolving soil matric potential at 20 cm depth below drip emitter
during the growing period of spring maize
表2 2017和2018年不同基质势下限
膜下滴灌春玉米生育期内灌溉次数、灌溉量
Table 2 Irrigation frequency and amount during spring maize
growth periods under mulched drip irrigation with different soil matric potential thresholds in the Hetao Irrigation District
年份
Year
处理
Treatment 灌溉次数
Irrigation frequency
灌溉量/m m
Irrigation amount
S1(-10 kPa)
33490
2017S3(-30 kPa)23
300
S5(-50 kPa)10130S1(-10 kPa)
38
4502018S3(-30 kPa)28240
S5(-50 kPa)
11
110
1.2.2 土壤与植物指标观测 土壤含水量每隔15
d 测定1次，取样位置见图2。将所取土样用105兀
烘干至恒重，测定质量含水量，利用已知容重（表
1），计算得出体积含水量。
为测量生长指标，在玉米关键生育时期每个小
区选取5株长势均匀的玉米植株，从地表处剪取。
用直尺量取所有绿色叶片的长度（L ）和最宽处的宽
度（W ），计算叶面积指数（LAI ）:
X L x W x a
LAI= A
（1）
式中,LAI 为叶面积指数;L 为叶片长度（cm ）；W 为
第3期丁运韬等：利用HYDRUS-2D模拟膜下滴灌玉米农田深层土壤水分动态与根系吸水27
叶片最宽处的宽度(cm)；a为系数，取0.75；A为所
占地表面积(cm2)。
地上部所有部分经70T烘干至恒重后，称重得
每株地上部生物量，根据种植密度换算得每公顷地
上部生物量。分别于2017年9月8日和2018年9
月10日在每个小区内选取各小区中间2行玉米进
行测产。玉米脱粒后晾晒4〜5d，称取质量并换算
成每公顷产量。
1.3HYDRUS-2D模型构建
针对大田试验深层渗漏和补给难以计算的问
题，借助数值模拟的方法是一种现实可行的解决方
案。所以本文利用HYDRUS-2D模型进行剖面土
壤水分运动的模拟，利用实测数据进行模型的检
验。模拟尺度以天(d)为单位，模拟时间为播后0〜
130d。根据实测的土壤情况(见表1)将土层数设
置为5层，考虑到地下水的波动情况，模拟深度设置
为2个生长季内地下水最大埋深处(380cm)，将
120~380cm深度的土壤默认为均质土，与100〜120
cm的土壤参数保持一致。由于田间膜下滴灌试验
布置的对称性，假定模拟区域左、右边界均为零通
量边界，滴头处采用变流量边界，覆膜区域选择为
零通量边界，无覆膜区域采用大气边界，下边界取
为已知地下水埋深决定的变水头边界，模拟在灌
溉、降水以及地下水埋深变动情况下膜下滴灌的土
壤水分变化过程［16_17］。
1.3.1水分运移方程假设膜下滴灌点源条件下
土壤水分运动为轴对称，则水分运动可简化为轴对
称的二维问题来处理［18］，该模型采用修正过的
Richards方程表示二维非饱和水流控制方程，公式
如下：
86=8 Bt8x
K(h)(+1)
z
「，8h_8
K(h)—+—
_8x_8z
—S(h)
(2)
式中，6为体积含水量(cm3•cm-3);t为时间(d);
K(h)为非饱和导水率(cm-d-1);h为土壤水势(cm);x,z为水平和垂直坐标(cm);S(h)为土壤根系吸水速率(cm•d-1)。
土壤的水分特征曲线利用HYDRUS-2D中的van Genuchten模型来进行拟合，其拟合方程如下：
6-6
[1+(ah)”]
=6+h°0(3)
[6s h M0
K(h)=K$e[1-(1-S l e/m)m]2(4)
—16-6r
其中m=1j，"〉1；S e=6s-6r (5)式中,6(h)为土壤含水量函数©为残余含水量(cm3•cm-3);6s为饱和含水量(cm3•cm-3);K s为饱和水力传导度(cm-d-1);S e为相对饱和度;a为进气值倒数(1•cm-1);m为土壤水分特征曲线适线参数;n为孔径分布系数;l为表征土壤孔隙连通特征参数，取经验值为0.5［19-2l］o
土壤具体水力参数见表3。
1.3.2根系吸水式(2)中的根系吸收项(S)，应用HYDRUS-2D软件包中的Feddes［22］提出的广义根系吸水模型，可以定义为单位时间单位体积土壤中消耗的水分体积，其中最大根深设为100cm［23］，根系吸水响应参数使用软件预设的经验参数，公式如下：
S(x,z,h)=a(x,z,h)b(x,z)T p L(6)式中,a(x,z,h)为根系吸水的水应力响应函数，无量纲;b(x,z)为根系吸水分布函数(1-d-1);T p为作物潜在蒸腾速率(cm-d-1);L为根区分布最大宽度(cm)，根据田间观测,L取40cm。
1.3.3模型评价本研究利用2017,2018年的实测数据对模拟的含水量结果进行检验。通过各个定位监测点实测的土壤含水量进行拟合并校正模型土壤参数，用均方根误差(RMSE)和决定系数(R2)两个指标来评价模型的模拟精度,RMSE越接近于0,R2越接近于1，表示模拟精度越高，一般认为R2在0.5以上达到率定要求［24］。计算公式如下：
1n
RMSE=n£(S,-0)2(7)
X(S i-0J2
R2=1-：⑻
X(S、-0)2
=1
式中,S，为模拟值;0，为实测值;0为实测值的平均值；n为样本数目。
2结果与分析
2.1模型验证
本研究用相对湿润的2018年实测土壤含水量来率定参数，忽略土壤水分入渗的滞后影响以及土壤盐分含量对土壤水运移的影响［25］，得各层土壤水力参数如表3所示。用相对干旱的2017年数据进行验证。2017年和2018年模拟值与实测值的RMSE和R2分别为0.039.0.78和0.042.0.73(图4)o总体而言，模拟结果较好地反映了膜下滴灌条件下土壤水分的动态变化，因此可以利用HYDRUS -2D模型对该条件下土壤水分运移进行模拟研究。
